DE3314276A1 - Von einer brennkraftmaschine angetriebene waermepumpe - Google Patents

Von einer brennkraftmaschine angetriebene waermepumpe

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Description

PICHTEL & SACHS· AG - SCHWEINFURT ANR 1 001 485 Reg.-Nr. 12 105
PATENT- UND GEBRAUCHSMUSTERHILFSANMELDUNG
VON EINER BRENNKRAFTMASCHINE ANGETRIEBENE WÄRMEPUMPE
BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieilt sich, auf eine von einer Brennkraftmaschine angetriebene Wärmepumpe, die einen Gesamt-Wasserkreislauf zur Brauchwasserbereitung und Heizung aufweist, wobei der Gesamt-Wasserkreislauf aus zwei miteinander in Verbindung stehenden Wasserkreisläufen besteht und der erste Wasserkreislauf über Wärmetauscher von der Abwärme der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird, während der zweite Wasserkreislauf über weitere Wärmetauscher mit dem Wärmepumpenprozeß gekoppelt ist und Schaltelemente zur Verbindung der Wasserkreisläufe vorgesehen sind,
Bei derartigen Wärmepumpen, die zur Heizung und Brauchwasserbereitung dienen, ist es bekannt, daß durch die Druckbegrenzung des Kältekreislaufes das Temperaturniveau der Brauchwasserbereitung auf ca, 500C begrenzt ist. Dies trifft sowohl bei Absorbtions-Wärmepumpen als auch bei Wärmepumpen, die von einem Elektromotor oder einer Brennkraftmaschine angetrieben werden, zu. Infolge Wärmeverlusten in schlecht isolierten und weit verzweigten Verteilungsnetzen für das Brauchwarmwasser werden an den Entnahmestellen oftmals nur Temperaturen von 40,.,45 C erreicht, die dem Bedürfnis nach ausreichendem Brauchwasserkomfort in .vielen Fällen nicht gerecht werden. Speziell im Heizleistungsbereich von Ein- und Zweifamilienhäusern wird in der Regel die Heizleistung der Wärmepumpe im Gegensatz zur Kesselleistung knapp dimensioniert, wodurch häufig eine Böilervorrangschaltung angewandt wird, die die Aufgabe hat,, die Brauchwarmwasserbereitung vorrangig durchzuführen, Nachteilig bei dieser Ausführung ist, daß während des
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Böilerladevorganges das Heiznetz nicht bedient wird. Da gerade bei den Wärmepumpen infolge der niederen Brauchwassertemperatur große Boiler verwendet werden, die bei Ein- oder Zweifamilienhäusern einen Wasserinhalt von 200...300 1 aufweisen, wird das Heiznetz über längere Zeit nicht bedient, was zu nicht mehr tolerierbaren Wohnraumtemperaturen führen kann. Insbesondere dann, wenn auf Grund hoher Zirkulationsverluste in den Brauchwasserleitungen die Wärmepumpe häufig im Boi.lerbetrieb arbeitet, sind größere Wohnraum-Temperaturschwankungen durch die Bollervorrangschaltung vorhanden.
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Bei Elektro-Wärmepumpen ist es bekannt, die Kondensationswärme zur Brauchwarmwasserhereitung auszunutzen. Dies geschieht dadurch, daß ein separater Wärmeaustauscher vorgesehen werden muß, der im überhitzten Bereich des heißen Kältemitteldampfes angeordnet ist und die bis zum Kondensationsbeginn anfallende Wärme verwendet, so daß hierbei Temperaturen bis 6O0C erreicht werden können.
Die Anwendung einer Brennkraftmaschine zum Antrieb einer Wärmepumpe ermöglicht die' Ausnutzung der Wärme der Abgase und des Motorkühlkreislaufes, wobei Vorlauftemperaturen bis 800C bei größeren Anlagen im Leistungsbereich größer als 100 kW mit Hilfe eines separaten Wärmeaustauschers im Kühlkreislauf erzielt werden können. Das hierhei zur Verfügung gestellte, höher temperierte Wasser wird allerdings nur mit hohem regeltechnischen und apparativen Aufwand möglich. Bei kleineren Anlagen ist der Kondensator meist mit dem Abwärmekreislauf in Reihe geschaltet. Somit begrenzt auch hier der Kondensationsdruck die erreichbare Brauchwassertemperatur.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ess die Nachteile der bekannten Konstruktionen zu vermeiden und eine von einer Brennkraftmaschine angetriebene Wärmepumpe zu schaffen, welche auch bei knapp dimensionierter Heizleistung auf einfache Weise einen gleichzeitigen Heiz"«- und Brauchwarmwasserbetrieh ermöglicht. Außerdem sollen Brauchwassertemperaturen bis zu 60°G erzielt wer
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein zwischen erstem und zweitem Wasserkreislauf angeordnetes Schaltelement als Dreiwege-Umschaltventil ausgebildet ist und einen Anschluß für eine Boilerrücklaufleitung aufweist sowie mit der Niedertemperaturseite des ersten Wasserkreislaufes verbindbar ist, während die Hochtemperaturseite des ersten Wasserkreislaufes mit der Boilervorlaufleitung verbunden ist. Durch den Einbau dieses Dreiwege-Umschaltventiles und die Installation getrennter Anschlüsse für den Boilervor-* und -rücklauf wird auf einfache Weise eine Brauchwassertiereitung möglich, die ausschließlich durch den Motorkühlkreislauf versorgt wird, ohne daß der Kältemitteldruck im Kondensator ansteigt, da die Boilerrücklaufleitung in das Dreiwege-Umschaltventil mündet und keine Temperaturerhöhung der ■ in den Kondensator mündenden Rücklaufleitung bewirkt. Da gleichzeitig mit der Kondensationswärme des Wärmepumpenprozesses das Heiznetz bedient wird, kann auf eine BOi.lervorrangschaltung verzichtet werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Dreiwege-Umschalt ventil in ein als Baueinheit ausgebildetes Wärmepumpenaggregat integriert, wobei dieses Aggregat zusätzliche Anschlußstutzen für die Boi.lervor- und -rücklaufleitung aufweist. Dadurch wird eine sehr einfache Montage des Wärmepumpenaggregates beim Anschluß an das Heiz- und das Warmwassernetζ erzielt. Ein nachträglicher Einbau eines derartigen Dreiwege-Umschaltventiles ist - wie die Erfindung zeigt - auch ohne weiteres möglich, wobei das Dreiwege-Umschaltventil dann außerhalb des Wärmepumpenaggregates angeordnet wird.
An Hand der Zeichnung wird nachfolgend 'die' Erfindung näher erläutert : ■
Die Fig. 1 stellt den Gesamt-Wasserkreislauf der Wärmepumpe schematisch dar, wobei dieser Gesamt-Wasserkreislauf im wesentlichen aus zwei miteinander in Verbindung stehenden Wasserkreisläufen gebildet wird. Der erste Wasserkreislauf besteht im wesentlichen aus einem Abgaswärmetauscher 3, einem Motorwärmetauscher 4 und einem ö!wärmetauscher 5 und ist sowohl mit der Niedertemperaturseite 20 als auch mit der Hochtemperaturseite 19 mit einem Kühl-
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wasser-Thermostatventil 11 verbunden, wobei die Pumpe 17 für die Zirkulation des Wassers in diesem Kreislauf vorgesehen ist. Der zweite Wasserkreislauf besitzt eine Rücklaufleitung 13» die in den Kondensator 8 mündet. In diesem Kondensator 8 findet der Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Wasserkreislauf statt. Das warme Wasser fließt über eine Leitung zum Kältemittelverdichter 2 und nimmt dort über entsprechende Wärmetauscher die Kompressionswärme des Kältemittelverdichters 2 auf und gelangt dann in die Vorlaufleitung 18. Ein bivalenter, paralleler oder alternativer Betrieb der Wärmepumpe wird durch den rechts in der Figur dargestellten Heizkessel möglich. Zur Brauchwasserbereitung in einem Boiler 9 ist eine Boilervorlaufleitung 6 vorgesehen, die über eine Verbindungsleitung 21 mit der Vorlaufleitung 18 und mit einer Anschlußleitung 23 mit dem Kühlwasser-Thermostatventil 11 in Verbindung steht. Zwischen der Vorlaufleitung 18 des zweiten Wasserkreislaufes und dem ersten Wasserkreislauf ist ein Dreiwege-Umschaltventil 1 vorgesehen, welches über die Anschlußleitung 24 mit der Vorlaufleitung 18 und die Verbindungsleitung 25 mit der Niedertemperaturseite 20 des ersten Wasserkreislaufes verbindbar ist. Außerdem mündet in dieses Dreiwege-Umschaltventil 1 die Verbindungsleitung 26 zur Boilerrücklaufleitung 7. Für die Wasserzirkulation im Boiler 9 ist eine Boilerladepumpe 12 vorgesehen, während die Wasserzirkulation-in der Heizung durch eine Heizkreispumpe lh vorgenommen wird. Um eine Fehlzirkulation im Boiler- und Heizkreis zu vermeiden, ist.ein Rückschlagventil 15 im Boilerrücklauf und ein Rückschlagventil 16 im Heizungsrücklauf vorgesehen, wobei nach den Rückschlagventilen eine Verbindungsleitung 22 die Rücklaufleitungen miteinander verbindet. Zum Druckausgleich bei bestimmten Betriebsbedingungen kann eine Druckausgleichsleitung 27 zwischen den 'beiden Wasserkreisläufen vorgesehen werden« Die Brennkraftmaschine, der Verdichter, die Wärmetauscher und die Schaltelemente sind zu einem Wärmepumpenaggregat 10 zusammengefaßt, wobei - wie die schematische Figur zeigt - dieses Wärmepumpenaggregat 10 nur mit entsprechenden An-Schlüssen bei der Montage in die Heizung' und Brauchwasserbereitung eingefügt werden kann.
Durch den Einbau des Dreiwege-Umschaltventiles 1 in den ersten Wasserkreislaufj der über den Abgaswärmetauscher 3? den Motorwär-
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metauscher 4 und den ölwärmetauscher 5 von der Abwärme der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird, und die Installation getrennter Anschlüsse für die Boilervorlaufleitung 6.und die Boilerrücklaufleitung 7 wird die Brauchwasserbereitung ausschließlich durch ' diesen Kühlkreislauf - ohne Begrenzung des kälteseitigen Druckes im Kondensator 8 - möglich. Da in diesem Falle mit der Kondensationswärme und den im Kältemittelverdichter 2 befindlichen Wärmetauschern das Heiznetz bedient wird, kann auf eine Boilervorrangschaltung verzichtet werden.
Bei Warmwasseranforderung durch den im Boiler 9 befindlichen Thermostaten und gleichzeitigem Start des Wärmepumpenaggregates 10 verbindet das Kühlwasser-Thermostatventil 11 die Hochtemperaturseite 19 mit der Niedertemperaturseite 20 im ersten Wasserkreislauf, Das Dreiwege-Umschaltventil 1 weist dabei eine Stellung auf, welche die Verbindungsleitung 25 mit der Verbindungsleitung 26 verbindet. Die Boilerladepumpe 12 saugt über die Verbindungsleitung 21 das warme Wasser aus der Vorlaufleitung 18 und drückt den Rücklauf über das Rückschlagventil 15 und die Verbindungsleitung 22 in die Wärmepumpen^Rücklaufleitung 13. Die Heizkreispumpe 14 und die Boilerladepumpe 12 arbeiten solange parallel, bis das Kühlwasser-Thermostatventil 11 - bei überschreiten der Temperatur von 800C - die Hochtemperaturseite 19 vom ersten Wasserkreislauf mit der Anschlußleitung 23 für den Boilervorlauf 6 verbindet. Die Brauchwasserlademenge zirkuliert nun ausschließlich durch den ersten Wasserkreislauf, d. h., zur Erwärmung des Brauchwassers wird ausschließlich die Abwärme der Brennkraftmaschine verwendet. Hierbei mündet die Boilerrücklaufleitung 7 über die Verbindungsleitung 26 und die Verbindungsleitung 25 in die Niedertemperaturseite 20 des ersten Wasserkreislaufes, wird dort erwärmt und durch die Pumpe 17 und das Kühl- < wasser^Thermostatventil 11 -in die BOJ.lervorlaufleitung 6 gefördert. Die Rückschlagventile 15 und 16 verhindern eine Fehlzirkulation der im Boiler und Heizkreislauf,umlaufenden Wassermengen. Die Rücklauftemperatur ist bei diesem Verfahren im Gegensatz zum Heizkreislauf mit Kondensator nur durch die maximal zulässige Kühlwassertemperatur, die überwacht wird, bedingt. Bei Ausfall der Boilerladepumpe 12 wird die Zirkulation im ersten Wasser^ kreislauf durch die Pumpe 17 für den Motorkühlkreislauf aufrecht' erhalten,
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Das Dreiwege~Umschaltventil 1 kann sowohl ein separates Ventilgehäuse als auch ein in ein Gesamtsystem integriertes Umschaltorgan mit elektrischem, magnetischem oder thermischem Antrieb sein.
Im reinen Sommerhetrieb der Anlage, also dann, wenn nur Brauchwasserbereitung erforderlich ist, wird das Dreiwege-Umschaltventil 1 in der Stellung gefahren, welche die Anschlußleitung 24 mit der Verbindungsleitung 25 verbindet. In diesem Falle wird der gesamte Kreislauf der Wärmepumpe durchfahren, d. h., sowohl die Abwärme der Brennkraftmaschine als auch die vom Wärmepumpenprozeß herrührende Wärme wird' zur Brauchwasserbereitung benützt. In diesem Falle ist durch eine entsprechende Programmierung des Reglers dafür Sorge zu tragen, daß ein überschreiten der Druckgrenzen im Kältemittelkreislauf verhindert wird.
Sämtliche heute üblichen Schaltungsvarianten für die Einbindung von brennkraftmaschinenangetriebenen Wärmepumpen in neue und bestehende Heizsysteme sind möglich. Dementsprechend ist bivalenter, paralleler und alternativer Betrieb mit und ohne Durchströmen der Wärmepumpe sowie die monovalente Betriebsweise möglich.
Die Anordnung des Dreiwege-Umschaltventiles la außerhalb des Wärmepumpenaggregates 10 ist strichpunktiert dargestellt. Hierbei wird die Anschlußleitung 24 durch die Anschlußleitung 24a ersetzta während die Verbindungsleitung 25 mit der Verbindungsleitung 25a ergänzt wird. Anstelle der Verbindungsleitung 26 mündet die Verbindungsleitung 26a in das Dreiwege-Umschaltventil la.
Durch Anordnung des Dreiwege-Umschaltventiles .1 wird eine hohe Brauchwassertemperatur ermöglicht, wobei keinerlei Unterbrechung des Heizbetriebes stattfindet. Da in dem Betriebszustand, bei welchem lediglich der erste Wasserkreislauf zur Brauchwasserbereitung verwendet wird, die Rücklaufleitung 13 nicht mit der relativ hohen Wassertemperatur in der Rücklaufleitung des Boilers beaufschlagt wird, findet durch die Brauchwasserbereitung keine kälteseitige Druckerhöhung im Kondensator 8 statt, so daß kein Takten der Wärmepumpe während der Brauchwasserbereitung auftritt. Die relativ hohe Brauchwassertemperatur von etwa 60 C ermöglicht
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es, den Boiler 9 relativ klein und dementsprechend kostengünstig auszuführen und praktisch jeden bestehenden Boiler (Nachrüstung) zu bedienen und damit die gesamten Installations· kosten der Wärmepumpe niedrig zu halten.
10.03.1983
ΙΉΡ-1 Be/whm- \
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Claims (1)

  1. FICHTEL & SACHS AG - SCHWEINFURT ANR 1 001 485 Reg.-Nr. 12 105
    PATENT- UND GEBRAUCHSMUSTERHILFSANMELDUNG VON EINER BRENNKRAFTMASCHINE ANGETRIEBENE WÄRMEPUMPE
    PATENTANSPRÜCHE
    Von einer Brennkraftmaschine angetriebene Wärmepumpe, die einen Gesamt-Wasserkreislauf zur Brauchwasserbereitung und Heizung aufweist, wobei der Gesamt-Wasserkreislauf aus zwei miteinander in Verbindung stehenden Wasserkreisläufen besteht und der erste Wasserkreislauf über Wärmetauscher von der Abwärme der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird, während der zweite Wasserkreislauf über weitere Wärmetauscher mit dem Wärmepumpenprozeß gekoppelt ist und Schaltelemente zur Verbindung der Wasserkreisläufe vorgesehen sind, dad. gek., daß ein zwischen erstem und zweitem Wasserkreislauf (Niedertemperaturseite 20, Vorlaufleitung 18) angeordnetes Schaltelement als Dreiwege-Umschaltventil (1, la) ausgebildet ist und einen Anschluß (Verbindungsleitung 26) für eine Boilerrücklaufleitung (7) aufweist sowie mit der Niedertemperaturseite (20) des ersten Wasserkreislaufes verbindbar ist, während die Hochtemperaturseite (19) des ersten Wasserkreislaufes mit der Boilervorlaufleitung (6) verbunden ist. \
    2. Von einer Brennkraftmaschine angetriebene Wärmepumpe nach Anspruch 1, dad, gek., daß das Dreiwege^Umschaltventil (1) in ein als Baueinheit ausgebildetes Wär-mepumpenaggregat (10) integriert ist und dieses Aggregat (10) zusätzliche Anschlußstutzen für die Boilervorlaufleitung (6) und die Boilerrücklaufleitung (7) aufweist.
    3. Von einer Brennkraftmaschine angetriebene Wärmepumpe, nach Anspruch 1, dad. gek., daß das Dreiwege-Umschaltventil (la) außerhalb des Wärmepumpenaggregates (10) angeordnet ist.
    10.03.1983
    PRP-I Be/whm-
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3635425A1 (de) * 1985-10-17 1987-04-23 Mitsubishi Electric Corp Klimatisierungs- und heisswasserversorgungssystem
US5727396A (en) * 1995-12-15 1998-03-17 Gas Research Institute Method and apparatus for cooling a prime mover for a gas-engine driven heat pump

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DE2633775A1 (de) * 1976-07-28 1978-02-02 Motorheizung Gmbh Motorheizung

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